可重構多波段射頻功率放大器設計

徐 謙，劉太君，葉 焱，郭曉鋒，李瑞陽

（寧波大學信息科學與工程學院，浙江寧波315211）

0 引言

隨著4G通信商用腳步的開始，未來相當長的一段時間內，多種制式的通信系統將共存，底層的通信設備將面臨巨大考驗。能夠適應不同制式，自由工作在不同頻段的多波段、多模式[1]射頻功率放大器在未來會有很大的前景。國內外研究學者在多波段器件方面的研究成果給多波段射頻功放的研究帶來了一定的推動力。最近幾年，相繼有學者在多波段射頻功放領域發表研究成果，但可重構多波段[2]射頻功放的研究還是寥寥無幾。

多波段射頻功率放大器設計的主要方法有超寬帶功放[3]、并發多波段功放[4]和可重構多波段功放。可重構多波段功放和前2種功放的主要區別在于其可重構性和靈活性，它在不同的幾個頻段之間，可以根據外部的控制信號來切換。日后再輔以輸入信號檢測電路，完全可以達到“智能功放”的特點，自動切換功放的工作狀態，達到真正的頻率高效利用。

1 設計思路

可重構多波段功放的主要設計思路就是利用可重構器件來實現功放工作狀態的配置。開關是常用的可重構器件，但一般低頻電路中的開關因為其插損和頻率特性，并不適合用于射頻電路。PIN二極管[5]的單向導通特性可以實現開關的特性，相比較MEMS[6]開關具有成本低、電路簡單的特點。利用該特性來改變功放匹配網絡的結構，實現功放在不同工作頻點間工作。

可重構多波段功放的設計框圖如圖1所示。圖中通過開關的控制，選擇參與匹配的電容，實現匹配網絡1和匹配網絡2之間的切換。基于該設計思路，在匹配網絡設計時可以拓展電路結構，增加參與匹配的器件，最終通過開關控制可以達到多波段切換工作的目的。

圖1 可重構多波段功放設計框圖

2 可重構器件設計

可重構器件即通過外部控制信號，切換其不同工作特性及狀態的器件，例如開關和可變電容[7]等。現成的射頻開關芯片由于其封裝的尺寸和特性，在功放設計中不具有靈活性。PIN二極管具有插損小、頻段寬的特點，可用于射頻開關電路設計。

2.1 PIN二極管開關仿真

選用Skyworks的SMP1345－079LF型號PIN二極管，該二極管插損小，等效電容小，并有多種封裝形式，可以實現單刀單置和單刀多置開關。PIN二極管要實現開關的功能，需要合理地設計偏置電路，使其能夠良好地實現“開”和“關”的狀態。偏置電路的作用除了提供直流供電外，還需要扼制交流信號。而且，開關直接加在匹配網絡中，要和功放自身的偏置電路隔絕開，控制電壓的變化不能影響功放本身的靜態工作點。利用PIN二極管設計的開關電路如圖2所示。

圖2 PIN二極管開關原理

該設計中偏置網絡加在匹配電容和PIN二極管之間，既保證匹配電容隔絕開關直流電流，又使交流信號能夠通過匹配電容和PIN二極管到地。

在先進設計系統（Advanced Design System，ADS）仿真軟件中通過仿真開關2個端口的S參數，可以測試出特性。仿真得到的S21曲線如圖3所示，即開關的插損特性。

圖3 開關仿真特性曲線

從圖3中可以很直觀地了解到設計的開關在“開”與“關”2個狀態下的巨大差別，在很寬頻段內都有10dB以上的隔離度。

2.2 PIN二極管開關測試

根據仿真設計原理圖，在實際PCB板上利用實際的電容、電阻和PIN二極管芯片搭建測試電路。實際的測試電路如圖4所示，通過PIN二極管構成的開關來控制電路的導通與否。

圖4 PIN二極管實測電路

實際測得的曲線如圖5所示。

圖5 PIN二極管開關實測曲線

從圖5中的曲線可以看出，“開”和“關”狀態之間的插損相差15dB，保證了有效的隔離度。從頻率特性來看，S11＜－10dB以下的帶寬可以達到100MHz以上，完全滿足單個頻段工作帶寬需求。

3 多波段射頻功放設計

在功放匹配電路中應用可重構器件，實現不同匹配網絡之間的切換，就能達到功放在不同工作頻段點間的配置。

匹配網絡主要由微帶、電容和電感組成，由于微帶的可操作性差，因此可以利用開關來控制匹配電容的接入。這樣不僅可以保證匹配網絡的簡化，也能減少開關對匹配網絡的影響。設計匹配網絡時，首先要保證不同頻段匹配網絡之間微帶電路的一致，使其結構差異僅體現在參與匹配的電容。為實現多個頻段之間超寬頻的跨度，選擇功放管時可以選擇寬帶特性的GaN，其輸出匹配電路可以利用寬帶匹配技術[8]，在一個匹配電路內覆蓋整個頻段跨度。功放的整體設計框架如圖6所示。在輸入匹配網絡中，通過幾個PIN二極管開關的組合，可以達到多個匹配網絡的效果，實現幾個頻段的切換。

圖6 可重構多波段功放設計框架

在設計時，選擇1750MHz、2100MHz和2600MHz這個3個中心頻點，覆蓋了目前常用的一些頻段，也突破了目前LDMOS管子的最大工作頻段跨度。這3個頻段也代表了未來3G和4G[9]商用的幾個典型頻段，包含了TDD和FDD[10]這2種制式。晶體管選用CREE公司型號CGH40010的GaN管子。在ADS中設計完成的功放電路原理圖如圖7所示。

圖7 可重構多波段功放仿真電路圖

4 測試結果

在實際制板中，采用Rogers4350B板材，板厚0.762mm，介電常數3.66，敷銅厚度25um。實際制作調試完成的功放電路圖如圖8所示。在功放輸出端，寬帶匹配技術結合GaN管子的寬帶特性，在一個匹配電路中完成了3個頻段的整體覆蓋，保證功放在不同頻點都有良好的輸出特性。在輸入匹配電路中引入了2個開關電路，控制匹配電容的接入。2個開關可以實現4種組合，滿足設計需要的3個頻段之間的切換，減少了開關數量。在實際調試當中，開關的減少也避免了開關電路對匹配網絡的進一步影響。

圖8 功放實際測試電路圖

開關1和開關2通過外部電壓控制，使功放在模式1（2600MHz）、模式2（2100MHz）和模式3（1710MHz）之間切換工作。模式1狀態下功放的小信號測試曲線如圖9所示。此時開關1和開關2都處于“關”狀態。從圖9中的S參數可以看到，功放在1700～2650MHz頻段內有14～16dB增益。且模式1下，功放在2600MHz頻段附近具有良好的S參數特性。

圖9 模式1狀態下功放實測曲線

當開關1“關”、開關2“開”時，功放切換到模式2。模式2下的功放測試曲線如圖10所示。此時功放在1800～2200MHz頻段內有良好的寬帶特性，增益平坦度也保證在1dB以內，并且S11都在－10dB以下。

圖10 模式2狀態下功放實測曲線

當開關1“開”、開關2“關”時，功放切換到模式3。模式3的測試情況如圖11所示，在1700～1800MHz頻段內，功放S11＜－11dB，增益波動范圍達到0.7dB。

圖11 模式3狀態下功放實測曲線

5 結束語

實際測試結果表明，基于PIN二極管開關的可重構多波段功放的設計方法具有相當的可行性。實際調試發現，PIN二極管開關電路具有簡單的電路結構，性能穩定，多個PIN二極管開關的組合，可以為今后更多頻段之間的切換提供便利。該設計方法較其他的方案來說，具有結構簡單、調試方便和易于擴展的特點，在未來進一步結合寬帶功放設計以后，會具有更大的應用前景。

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